王小亚，马 诺，李海花*，毛子卿，张云惠

（1.伊吾县气象局，新疆 伊吾 839300；2.新疆气象台，新疆 乌鲁木齐 830002；3.喀什地区气象局，新疆 喀什 844000）

暴雨洪涝灾害每年汛期均有发生，是我国最主要的气象灾害之一[1-2]。暴雨灾害风险评估始于20世纪30年代，由美国田纳西河流域管理局提出洪水灾害评价理论方法[3]。王艳君等[4]利用1984—2012年中国暴雨洪涝灾害和社会经济数据，分析了灾害暴露度范围，暴露度总体呈显著增加趋势，高暴露区域主要在沿海省（市）；灾害脆弱性高值区主要分布在长江中游沿岸。谢五三等[5]利用气象、水文、地理信息、社会经济统计及历史灾情数据，运用TOPMODEL水文模型进行洪水淹没模拟得到不同重现期下洪水淹没图，再叠加不同承载体信息，得出不同的风险区划图。研究人员[6-13]基于风险评估原理，从致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体易损性和防灾减灾能力等方面，利用气象资料、自然地理和社会经济等数据，采用加权综合评价法和层次分析法，得出本区域暴雨灾害综合风险区划图，对防灾减灾起到了一定的指导作用。

新疆虽然是干旱半干旱区，近36 a有18 a暴雨洪涝灾害的直接经济损失居所有气象灾害损失的第一位[14]，具有暴雨洪涝种类多、直接经济损失明显上升的规律[15-18]。而南疆地区由于干旱少雨且暴雨次数虽不多，但一次强降水往往能冲坏公路、铁路、桥梁、阻断交通、淹没农田，造成巨大损失。南疆洪水多以暴雨洪涝为主，随着气候变化和区域气候变暖增湿，洪灾发生的不确定性和突发性也有所增加[19-20]。降水量可作为新疆易灾暴雨的风险区划指标[21]；暴雨洪涝灾害损失与年降水量、GDP指标均有显著正相关[22]；1961—2019年新疆暴雨山洪灾害强度呈上升趋势，年灾损指数也呈线性增长趋势[23]。魏艳英等[24]利用降水数据和灾情资料等对南疆暴雨洪涝灾害进行分析，得出暴雨日数大值区主要在克州及山区；喀什地区暴雨洪涝灾情发生频次最多；阿克苏地区受灾人口、农作物受灾面积、直接经济损失均最多。上述研究从不同角度对新疆暴雨灾害进行分析，为新疆暴雨洪涝灾害分析评估提供了参考，但从致灾因子和孕灾环境方面对南疆暴雨洪涝灾害风险区划分析较少。为此，本文充分利用2010—2020年南疆气象观测站逐小时降水、南疆各县（市）暴雨洪涝灾情数据，结合孕灾环境，基于GIS技术对南疆暴雨洪涝灾害风险进行研究，以期提升对南疆暴雨洪涝灾害的客观认识及危险性评价水平，为合理制定防灾减灾措施以及防洪避险规划提供科学参考和决策依据。

1 研究区概况

南疆由巴音郭楞蒙古自治州（以下简称“巴州”）、阿克苏地区、喀什地区、克孜勒苏柯尔克孜自治州（以下简称“克州”）、和田地区5个行政区组成（图1）。总面积为106.34×106hm2，约占新疆总面积的64%。南疆是典型的大陆性干旱气候，塔里木盆地及周边平原区是暖温带大陆性干旱气候和绿洲气候，山间盆地呈温带、中温带大陆性气候，而周边的高山区因气候干燥寒冷，与盆地气候相反。天山的高山带是半干旱半湿润高寒山地气候，帕米尔高原、昆仑山、阿尔金山的高山带是干旱半干旱高寒山地气候。南疆各地降水差异大，总的分布特点为北部多，南部少，山区多，平原少，盆地沙漠区更少，山区迎风坡多，背风坡少。

图1 南疆5地（州）分布

2 数据与方法

2.1 资料

利用2010—2020年南疆5地（州）44个国家站和623个区域站降水资料；暴雨洪涝灾害来自中国气象局灾情直报系统中的灾情数据，考虑到数据的连续性和完整性，对收集到的灾情数据进行逐条整理和核对，剔除有误的数据，有终报的以终报为准，无终报数据以初报或续报为主（1条灾情统计1次）。

2.2 数据处理方法

（1）相关分析方法是Pearson相关，软件是SPSS。

Pearson计算公式为：

式中，xi为变量x的第i个值，yi为变量y的第i个值为变量x的样本均值，为变量y的样本均值，n 为样本容量。在给定显著性水平下，对计算出的相关系数根据相关系数检验表进行显著性检验[22]。

（2）归一化处理方法。

式中，Di是归一化数值，Xi是样本数据，Xmin和Xmax分别是样本数据中的最小值和最大值。

（3）百分位数法，又称为百分位数，是数据统计中一种常用方法。把一组统计数据按其数值从小到大顺序排列，并按数据个数100等分。在第P个分界点（称为百分位点）上的数值，称为第P个百分位数（P=1，2，…，99）。在第P个分界点到第P+1个分界点之间的数据，称为处于第P个百分位数。百分位数计算公式如下：

式中，Pm为第m个百分位数，N为总频次，L为Pm所在组的下限，U为Pm所在组的上限，f为Pm所在组的次数，Fh为小于L的累积次数，Fn为大于U的累积次数，i为组距。

（4）自然断点法，是一种地图分级算法[25]。

2.3 结果分析

暴雨洪涝灾害风险是致灾因子易发性（主要指气象因子）、孕灾环境敏感性（包括地形、水系、下垫面类型等方面）、承灾体易损性（人口密度和经济价值总量等方面）和防灾抗灾能力（资金投入的多少及交通的发达程度等方面）综合作用的结果，其中致灾因子易发性和孕灾环境敏感性为自然属性，共同构成暴雨洪涝灾害的危险性，他们决定了暴雨洪涝灾害发生的可能性和自然灾害发生的严重程度[26]。

2.3.1 致灾因子识别

选择表达单站暴雨过程强度的指标组成致灾因子库，包括1 h最大降水量R1h、3 h最大降水量R3h、6 h最大降水量R6h、12 h最大降水量R12h、24 h最大降水量R24h、暴雨持续天数Iday。

由于暴雨洪涝灾害事件的灾情要素较多，利用数据相对完整的受灾人口、直接经济损失、农作物受灾面积3项灾损指标（一共有122个样本，每个样本均有受灾人口、直接损失、农作物受灾面积和对应逐1、3、6、12、24 h降水数据），使用Pearson相关系数计算方法，分别计算归一化处理的灾损指标与归一化处理后的暴雨过程各个特征量的相关系数，选取通过显著性检验（α=0.05）的因子作为暴雨评估指标。通过灾损指标和致灾因子库中各因子的关系分析，确定致灾因子（表1）。

表1 灾损指标与暴雨评估指标相关系数

由表1可知，暴雨评估指标R6h、R12h、R24h均与各灾损指标相关性较好，因此选取R6h、R12h、R24h作为南疆暴雨洪涝的致灾因子。

2.3.2 灾损指标等级划分

灾损指标进行归一化处理后再根据百分位法，分别取50%、75%、90%，得到灾损指标4级对应阈值（表2），根据等级划分标准得到南疆各县（市）灾损指标等级图（图2）。

表2 各灾损指标等级划分标准

从图2可知，受灾人口特重的区域均在和田地区（洛浦县、墨玉县和于田县）；受灾严重区域前三位是皮山县、叶城县、和田市；受灾较重区域前三位是岳普湖县、策勒县、乌什县。直接经济损失特重区域为和静县、沙雅县、乌什县；严重区域前三位为洛浦县、莎车县、温宿县；较重区域前三位为阿克苏市、阿克陶县、拜城县。农作物受灾特重的区域为阿克苏地区的沙雅县、喀什地区的英吉沙县和岳普湖县；严重区域前三位为阿克陶县、麦盖提县、皮山县；较重区域前三位为拜城县、和静县、和硕县。近10 a和田地区的灾损指标最严重。

图2 南疆各县暴雨洪涝灾损指标等级

2.3.3 致灾因子危险性评估

致灾危险性评估主要考虑暴雨事件和孕灾环境，由年雨涝指数和暴雨孕灾环境影响两部分组成。

（1）雨涝指数计算。

单站暴雨过程强度指数IR的计算：

式中，R6h、R12h、R24h均做归一化处理，A、B、C为权重系数。结合区域自动站资料，选取1 568个样本数据，利用信息熵权法，得到权重系数分别为0.5、0.3、0.2，计算各站暴雨过程强度指数。累加当年逐场暴雨过程强度值，得到年雨涝指数。该指数用来计算致灾因子危险性指数。

（2）暴雨孕灾环境影响系数。

暴雨孕灾环境指暴雨影响下，对形成洪涝、泥石流、滑坡、城市内涝等次生灾害起作用的自然环境。暴雨孕灾环境对暴雨成灾危险性起扩大或缩小作用。暴雨孕灾环境主要考虑地形、河网水系易发条件等。

对地形、水系易发条件进行加权综合来计算暴雨孕灾环境影响系数Ie（图3a）。

式中，Icmin为区域内的最小暴雨孕灾环境综合指数，Icmax为区域内的最大暴雨孕灾环境综合指数，C为常数0.2。

暴雨孕灾环境综合指数Ic（图3b）。

图3 Ie值（a）和Ic值（b）分布

式中，Wh、Wr分别为地形影响系数Ph、水系影响系数Pr的系数，按照南疆地形及水系特点，Wh和Wr分别定为0.5。

水系影响系数Pr主要考虑评估点距离水体的远近和所在区域的水网密度，分别用水体距离系数Prd和水网密度系数Prm表示。一般来说，距离河流、湖泊、大型水库等越近的地方，河网越密集的区域遭受洪涝灾害的风险越大。水系影响系数Pr为水体距离系数Prd和水网密度系数Prm的平均值。水体距离系数根据表3按距离水体（河流、湖泊、水库）的远近取相应的数值，水网密度系数为单位面积内自然和人工河道的总长度，按表4进行赋值。

表3 水体面积、距离水体距离、水体距离系数

表4 水网密度与对应的水网密度系数

2.3.4 暴雨洪涝灾害危险性区划

致灾因子危险性指数=（1+暴雨孕灾环境影响系数）×年雨涝指数。

在收集整理资料的同时，综合考虑影响南疆暴雨洪涝危险性的致灾因子、暴雨孕灾环境的地形因子、水系因子各指标，利用ArcGIS系统的提取、标识等功能，将各个因子的值对应到每个栅格，利用自然断点法，得到每个致灾因子危险性指数，将南疆暴雨洪涝灾害危险性指数划为4个等级：低危险区、中低危险区、中高危险区、高危险区（图4）。

图4 南疆暴雨洪涝灾害致灾因子风险区划

南疆暴雨洪涝灾害风险整体分布呈现北部高于南部，西部高于东部，山区高于平原。暴雨洪涝灾害风险高的前三位是阿克苏地区乌什县英阿瓦提北村、和田地区于田县兰干乡昆仑渠首村，奥依托格拉克乡山洪村和沙漠玫瑰基地，皮什盖村和阿克苏地区拜城县的大桥乡牧场3队（灾损指标等级对应）；中高风险的前三位是阿克苏地区拜城县布隆乡8大队6小队，赛里木镇，苏杭村、温巴什乡3大队、和田地区策勒县努尔水库；中低风险的区域前三位是和田地区洛浦县阿其克公路到石灰矿岔路口、墨玉县英阿瓦提村和阿克苏地区温宿县古勒阿瓦提乡四大队；暴雨洪涝灾害风险低的地区为巴州盆地（轮台县、尉犁县、和硕县）、和田地区中西部、喀什地区南部山区。

2.3.5 2021年灾害评估结果

基于上述风险区划成果，统计2021年126次暴雨洪涝灾情数据（表5），按灾损指标阈值进行等级划分（表6），对2021年南疆暴雨洪涝灾害进行了评估（图5）。

图5 2021年南疆暴雨洪涝灾害评估结果

表5 2021年南疆地区出现暴雨洪涝灾害时间、地点和灾情

和田地区洛浦县局地暴雨洪涝灾害等级为高危险区，与表6相对应，其直接经济损失、受灾人口、农作物受灾面积均为最严重，进一步验证了前述风险区划的结果。于田县局地暴雨洪涝灾害等级为高危险区，但灾损指标等级不高，说明于田县孕灾环境较高。和田地区均处于中高风险区，2021年夏季和田地区大部出现了极端降水。洛浦、墨玉、和田3站日降水量均为百年一遇，打破测站日降水量历史极值并超过其年平均降水量。暴雨造成城市积涝并引发山洪、泥石流地质灾害，对交通、水利设施、农业生产和居民生活等造成不利影响，直接损失达1亿元。巴州和静县的孕灾环境风险等级为中高危险区，实际业务中应引起关注。阿克苏地区温宿县局地为中高危险区，农作物受灾等级较重，沙雅县虽然处于低危险区，但一出现暴雨洪涝灾害，其经济损失和农作物受灾面积的等级较重，在实际业务中需进一步关注。

表6 2021年南疆地区暴雨洪涝灾损指标等级

3 结论与讨论

利用近10 a南疆地区暴雨洪涝灾情数据，根据百分位法得到各县（市）的灾损指标、根据相关系数确定了致灾因子、信息熵权法确定了权重系数。基于ArcGIS技术，采用重采样、邻域分析和重分类等方法结合地形、水系等环境因子得到暴雨洪涝的区划图。主要结论如下：

（1）南疆暴雨洪涝灾害的致灾因子为R6h、R12h、R24h；南疆各县（市）受灾人口特重区域在和田地区洛浦县、墨玉县和于田县；严重区域在皮山县、叶城县、和田市。直接经济损失特重区域在和静县、沙雅县、乌什县；严重区域在洛浦、莎车县、温宿县。农作物受灾特重区域在阿克苏地区在沙雅县、喀什地区的英吉沙县和岳普湖县；严重区域在阿克陶县、麦盖提县、皮山县。

（2）南疆暴雨灾害风险区划分为低风险、中低风险、中高风险和高风险4个等级。风险高的区域主要集中在和田地区于田县南部山区、阿克苏地区西部北部山区；风险低的地区巴州盆地东部，和田地区中西部，喀什地区南部山区。

（3）通过对2021年南疆暴雨洪涝灾害评估，进一步验证了本文风险区划成果，也为今后开展新疆暴雨洪涝灾害风险预警业务提供了参考。